Nous présentons les principales propriétés quantiques de fluorescence de nanocristaux de CdSe/CdS individuels à température ambiante. Nous montrons la quasi-suppression de scintillement et l'allongement des durées de vie radiative de ces nanocristaux à la coquille épaisse et de leur rendement quantique. Nous prouvons expérimentalement, par microscopie confocale en champ lointain, que l'interaction d'un nanocristal avec des nanostructures métalliques, réduit sa durée de vie radiative et modifie les efficacités des processus radiatifs et non-radiatifs. Nous montrons que, le couplage dépend bien de la position du nanocristal et que pour certains nanocristaux une large fraction des plasmons est diffractée par la structure spatiale de la couche. Nous obtenons des facteurs de Purcell très importants. Enfin, nous expliquons la relation entre les états d'émission et la compétition entre processus Auger et radiatifs.

La réponse optique de nanostructures métalliques est caractérisée par une amplification locale du champ électromagnétique appelée Résonance Plasmon de Surface (RPS) reliée à leur nature et leur morphologie. Pour étudier la réponse optique d'une nanoparticule unique, un dispositif ultra-sensible de spectroscopie à modulation spatiale utilisant une source de lumière blanche a été développé : il permet de mesurer la section efficace d'extinction absolue de nano-objets uniques sur un large domaine spectral (300-900 nm). Des images de microscopie électronique à transmission peuvent être obtenues indépendamment sur les mêmes objets. On a ainsi une corrélation directe entre la morphologie des nanoparticules et leur signature optique. Ce travail de thèse a permis d'une part de mettre en évidence les paramètres qui entrent en jeu dans le processus de vieillissement de nanoparticules uniques d'argent sous éclairement. En particulier, l'étude de nanocubes d'argent révèle une " sphérisation " et une photo-oxydation au cours du temps due à la partie UV du spectre. D'autre part, des mesures réalisées sur des doublets de nanocubes d'argent en interaction ont montré l'importance de la morphologie à l'interface entre les deux nanoparticules sur le couplage plasmonique. Pour une excitation lumineuse longitudinale, on observe, outre le décalage de la RPS vers les basses énergies lorsque la distance interparticule diminue, un dédoublement de cette bande de résonance. Des calculs théoriques réalisés avec la méthode DDA ont permis de corréler ce phénomène de dédoublement à des variations de courbure de surface dans la zone interparticule liées principalement au rognage des arêtes des cubes

Cette thése décrit une expérience d'interférométrie de Michelson réalisée pour mesurer la cohérence temporelle de l'émission d'un nanocristal individuel cœur/coquille de CdSe/ZnS. La difficulté d'une telle mesure réside dans la diffusion rapide (0,1 ms) de leur raie d'émission qui élargit le spectre mesuré habituellement. Nous introduisons, dans une description de l'expérience par un formalisme quantique, une méthode baptisée spectroscopie de Fourier à corrélation de photons (PCFS), reposant sur la mesure des corrélations aux temps courts entre les intensités détectées aux sorties de l'interféromètre. Contrairement aux méthodes spectroscopiques standard, la PCFS associe une bonne résolution temporelle à une bonne résolution spectrale (qui est calculée théoriquement en détail). Ceci nous permet d'étudier des nanocristaux individuels, à 300, 20 et 10 K, et de caractériser à la fois leur largeur spectrale et leur diffusion spectrale. Nous mesurons une largeur spectrale de 6,5 micro-eV (soit un temps de cohérence de 200 ps), meilleure de presque deux ordres de grandeur que les largeurs mesurées par spectroscopie d'un nanocristal individuel (0,1-1 meV).

Nous présentons ici un résumé de nos travaux sur l'utilisation de nanocristaux semiconducteurs comme sondes fluorescentes pour l'optique et la biologie.

La thèse présentée est centrée sur des mesures de force appliquées à des ARN seuls ou en interaction avec une protéine. L'un des plus grands défis posé par l'ARN provient de sa structure, notamment parce que les interactions de ses bases ne se limitent pas aux paires de type Watson-Crick et que les interactions tertiaires sont courantes. Les mesures de force donnent des informations complémentaires aux mesures classiques, car elles permettent de sonder directement les interactions complexes de l'ARN et fournissent des paramètres thermodynamiques inaccessibles autrement. L'étude de l'interaction protéine-ARN par mesure de force permet également d'accéder à des caractéristiques que les autres techniques ne peuvent pas offrir. Néanmoins avant d'atteindre les promesses de ce type de mesure, il faut concevoir un montage adapté et optimisé. Une première partie de la thèse a été dédiée à la conception d'une double pince optique permettant l'étude des ARN avec une résolution proche de la paire de base, en implantant notamment des améliorations techniques jusque là absentes de la littérature. La suite de la thèse s'est attachée à des études biologiques. Nous avons commencé par sonder l'interaction de la protéine ribosomique L20 avec son ARN cible dans le ribosome. Nous avons montré que cette protéine très importante dans les premiers stades de la formation du ribosome, stabilise fortement son ARN cible. Nous avons également déterminé son site de fixation à trois bases près. Nous avons ensuite débuté une étude sur des ARN synthétisés pour l'étude d'une hélicase à motif DEAD en caractérisant leurs réponses à une sollicitation mécanique.

Des nanofils de ZnSe catalysés avec de l'or ont été synthétisés pour la première fois sur pseudo-substrats de ZnSe déposé sur GaAs. La nucléation de l'or a été étuidiée en détails. Des nanoparticules d'or de diamètres homogènes ont été produites. Ces nanoparticules conduisent à la création de nanofils de diamètres de l'ordre des diamètres de Bohr des excitons dans le ZnSe et dans le CdSe. Les très basses densités de nanoparticules d'or obtenues permettent la croissance de nanofils de ZnSe dans un mode non-compétitif. La croissance a été étudiée en fonction de la variation de certains paramètres. Un rapport de flux élevé de Se:Zn~4, ainsi qu'une température aux alentours des 400C donnent lieu aux nanofils les plus droits. Les nanofils résultant de ces conditions sur ZnSe (001) s'orientent selon deux axes. La vitesse de croissance des nanofils peut être modélisée par la diffusion d'adatoms vers l'interface de croissance du nanofil. Il est démontré à l'aide d'observations RHEED que la croissance se déroule dans un mode vapeur-solide-solide (VSS), c'est à dire, avec un catalyseur à l'état solide. Une croissance dans le mode ALE produit des nanofils orientés selon un seul axe. L'incorporation de BQ de CdSe à été étudiée en détails par le biais de plusieurs techniques expérimentales. Il est possible d'obtenir des BQ de CdZnSe de quelques nanomètres de long, avec des hétérojonctions abruptes et contenant aux alentours de 50% de Cd. L'étude optique de ces BQ montre de fines raies excitoniques. L'émission de photons uniques a été mesurée sur la raie biexcitonique jusqu'à la température ambiante. À cause de la présence d'une émission discrète du substrat des nanofils, ceux-ci doivent être transférés sur un substrat non-luminescent pour les études optiques.

L'imagerie par diffraction des rayons X cohérents (CDI) en condition de Bragg est utilise pour étudier la déformation de nano-objets uniques. Ceci est possible grâce au développement d'optique focalisante, comme les lentilles de Fresnel (FZP), produisant un faisceau sub-micronique coherent. Les nanostructure étudiées sont reconstruite avec des algorithmes d'inversion à partir de données de diffraction, sous la forme d'un objet complexe, ou l'amplitude correspond à la densité électronique 3D et la phase correspond a la projection de la déformation de l'objet (par rapport a un réseau cristallin parfait) dans la direction du vecteur de diffraction. Dans ce travail, nous avons étudié la déformation dans des nanofils hétérogènes (nanofil de GaAs avec une mono-couche de boîtes quantiques de InAs) et homogènes (silicium fortement contraint sur isolant (sSOI)). Lorsqu'un faisceau focalise de rayons X est utilise, 'a la fois l'amplitude et la phase de l'onde incidente doivent être connu pour une étude quantitative. Le faisceau focalise utilise pendant les expériences a été reconstruit avec la technique CDI, et les effets de cette fonction d'illumination sur l'imagerie de nanofils contraints ont été étudiés. Mots-clés: Imagerie par diffraction x cohérente, contrainte, nanofils, algorithms d'inversion.

Ce manuscrit présente mon travail de thèse portant sur le détecteur de photons niques electron-bpmbarded CMOS (ebCMOS) à haute cadence de lecture (500 images/seconde). La première partie compare trois détecteurs ultra-sensibles et leurs méthodes d'amélioration de la sensibilité au photon : le CMOS bas bruit sCMOS), l'électron-multiplying CCD (emCCD) à multiplication du signal apr pixel et l'ebCMOS à amplification par application d'un champ électrique. La méthode de mesure de l'impact intra-pixel des photons sur le détecteur ebCMOS est présentée. La seconde partie compare la précision de localisation de ces trois détecteurs dans des conditions extrêmes de très bas flux de phtons (<10 photons/image). La limite théoriques est d'abord calculée à l'aide de la limite inférieure de Cramér-Rao pour ces jeux de paramètres significatifs. Une comparaison expérimentale des trois détecteurs est ensuite décrite. Le montage permet la création d'un ou plusieurs points d'accès contrôlés en position, nombre de photons et bruit de fond. Les résultats obtenus permettent une comparaison de l'efficacité, de la pureté et de la précision de localisation des sources. La dernière partie décrit deux expériences réalisées avec la caméra ebCMOS. La première consiste au suivi des nano-cristaux libres (D>10 µm2/s) au centre Nanoptec avec l''équipe de Christophe Dujardin. La seconde s'intéresse à la nage de bactéries en surface à l'Institu Joliot curie avec l'équipe de Laurence Lemelle. L'algorithme de suivi de sources ponctuelles au photon unique avec l'implémentation d'un filtre de Kalman est aussi décrit.

La microscopie par résonance de plasmon de surface (SPR) à couplage par prisme a vu le jour à la fin des années 60. Le principal avantage de cette technique d'imagerie optique réside dans sa très grande sensibilité à de faibles variations d'indice optique ou d'épaisseurs à la surface d'un métal. De ce fait, le suivi d'interactions biologiques peut se faire en temps réel sans avoir recours à l'utilisation de marqueurs fluorescents ou enzymatiques. Depuis plus de 30 ans, la microscopie SPR s'est imposée comme la technique de référence de biodétection sans marquage. Ses champs d'application vont de la détermination de constantes d'affinité à la détection de bactéries pathogènes, en passant par la biologie cellulaire. Jusqu'à présent, on pensait la résolution spatiale limitée par la longueur de propagation des plasmons de surface. Or, de nombreux exemples ne corroborent pas cette hypothèse. Dans cette thèse, nous montrons qu'à ce phénomène de propagation se rajoute des aberrations optiques induites par l'utilisation d'un prisme pour coupler la lumière et les plasmons de surface. Nous expliquons ainsi pourquoi les résolutions expérimentales étaient souvent bien moins bonnes que celles attendues. Par l'analyse de la formation des images et la quantification des aberrations, nous aboutissons à deux nouvelles configurations optiques optimisées pour la résolution. Nous analysons ensuite quel métal offre le meilleur compromis entre longueur de propagation et sensibilité. Expérimentalement, nous obtenons une résolution comprise entre 1,5 et 4 μm suivant la direction, sur des champs de vision de plusieurs mm2, et ce, avec une sensibilité standard en biodétection. Nous sommes ainsi en mesure d'observer simultanément plusieurs milliers de cellules individuelles, eucaryotes et procaryotes. Finalement, nous développons un prototype dédié au suivi en temps réel de sécrétions de protéines par des cellules immunitaires. Les limites de la microscopie SPR et les solutions qui permettraient de faire aboutir ce type d'étude sont examinées. Des études préliminaires sont aussi menées sur l'amélioration de la détection de bactéries. / Prism-based surface plasmon resonance (SPR) microscopy is an optical imaging technique invented in the late 60s'. Its main advantage lies in its high sensitivity to optical index or thickness variations at a metal surface. Therefore, the monitoring of biological reactions can be performed in real-time without labeling agent such as fluorescence or enzymes. Over the last 30 years, SPR microscopy has become the major technique in label-free biodetection. The field of application range from the determination of affinity constant in biochemistry to the detection of pathogenic bacteria via cellular biology. Until now, the propagation length of the surface plasmons has been considered as the spatial resolution limit. However, many examples do not support this statement. In this PhD thesis, we demonstrate that the resolution is also limited by optical aberrations induced by the prism used to couple light and surface plasmons. Thus, we are able to explain why the experimental resolution was usually worse than the predicted one. The analysis of the image formation and the quantification of aberrations lead us to suggest two new optical configurations optimized for resolution. We also analyze which metal exhibits the better trade-off between propagation length and sensitivity. Experimentally, we obtain a resolution between 1.5 and 4 μm depending on the direction, on field-of-view up to several mm2, and with a standard sensitivity for biodetection (monolayer of DNA). We are then able to observe simultaneously several thousands of individual eukaryote and prokaryote cells. Finally, we develop a prototype dedicated to the real-time monitoring of protein secretion by immune cells. The limits of SPR microscopy and the solutions which could allow this kind of study are discussed. Preliminary results on the improvement of bacterial detection are also presented.

Des nanofils de ZnSe catalysés avec de l'or ont été synthétisés pour la première fois sur pseudo-substrats de ZnSe déposé sur GaAs. La nucléation de l'or a été étuidiée en détails. Des nanoparticules d'or de diamètres homogènes ont été produites. Ces nanoparticules conduisent à la création de nanofils de diamètres de l'ordre des diamètres de Bohr des excitons dans le ZnSe et dans le CdSe. Les très basses densités de nanoparticules d'or obtenues permettent la croissance de nanofils de ZnSe dans un mode non-compétitif. La croissance a été étudiée en fonction de la variation de certains paramètres. Un rapport de flux élevé de Se:Zn~4, ainsi qu'une température aux alentours des 400C donnent lieu aux nanofils les plus droits. Les nanofils résultant de ces conditions sur ZnSe (001) s'orientent selon deux axes. La vitesse de croissance des nanofils peut être modélisée par la diffusion d'adatoms vers l'interface de croissance du nanofil. Il est démontré à l'aide d'observations RHEED que la croissance se déroule dans un mode vapeur-solide-solide (VSS), c'est à dire, avec un catalyseur à l'état solide. Une croissance dans le mode ALE produit des nanofils orientés selon un seul axe. L'incorporation de BQ de CdSe à été étudiée en détails par le biais de plusieurs techniques expérimentales. Il est possible d'obtenir des BQ de CdZnSe de quelques nanomètres de long, avec des hétérojonctions abruptes et contenant aux alentours de 50% de Cd. L'étude optique de ces BQ montre de fines raies excitoniques. L'émission de photons uniques a été mesurée sur la raie biexcitonique jusqu'à la température ambiante. À cause de la présence d'une émission discrète du substrat des nanofils, ceux-ci doivent être transférés sur un substrat non-luminescent pour les études optiques. / Growth of Au-catalysed ZnSe NWs has been successfully achieved on ZnSe peudo-substrates grown on GaAs substrate for the 1st time. Nucleation of the gold catalyst nanoparticles was studied in details. Au nanoparticles with homogeneous diameters are achieved. The nanowire diameter that results from these nanoparticles is in the range of the Bohr diameter of excitons in ZnSe and CdSe. Ultralow density achieved for Au nanoparticles makes it possible to grow nanowires in a non-competitive mode. Study of the influence of the growth parameters was done in details. A high Se:Zn~4 flux ratio and a growth temperature in the low 400C range are found to yield the straightest NWs. Homogeneous NWs with two main orientations are obtained on (001) ZnSe. The nanowire growth rate can be modeled by a kinetic mass-transport model of impinging adatoms flowing to the nanowire growth front. ZnSe NW growth was identified as taking place in the VSS mode, that is, with a solid catalyst, by in-situ RHEED observations. A growth of NWs by ALE yields only a single NW orientation. Incorporation of CdSe QDs was studied in details with numerous experimental techniques. It is possible to obtain CdZnSe QDs with a length of a few nanometers with compositionally sharp heterojunctions and a composition in Cd of about 50%. The optical study of such NWs shows sharp excitonic lines. Single photon emission on the biexciton was measured up to room temperature. A limitation comes from the fact that the NWs must be detached from the surface to be studied due to the presence of a discreet background emission originating from the substrate.